全自动样品处理机器人控制系统的开发

全自动样品处理机器人控制系统的开发

目前工业机器人在很多生产制造领域都有着广泛的应用，极大地提高了生产效率与产品质量，但将工业机器人应用到炼钢样品分析系统中，实现样品的自动化快速分析，在国内才刚刚起步。某大型钢铁公司分析中心为了改变过去质检工作中人工取样、人工分类、人工检测的工作模式，引进了一套全自动样品处理及分析系统。该系统配有4台ABB公司的IRB2400L型六自由度工业机器人抓样及分配样品，组成样品自动处理系统，实现了从样品发送、样品接收、样品处理、样品分析等一系列过程的自动化处理，最大限度减少了人为因素的影响。

本文根据全自动样品分析系统中工艺要求，介绍了该全自动化系统中工业机器人控制系统的开发过程，包括整体设计、硬件设计及软件设计3个方面。

1系统组成及工作原理

1.1系统组成及功能要求

全自动样品处理系统由样品传输系统、自动化样品处理和分配系统、样品分析系统、样品标记及存放系统、实验室控制系统、数据管理系统等组成，用于完成炼铁、炼钢、精炼和连铸过程中的铁样、钢样、渣样和棒样的检验任务。这就要求工业机器人的控制系统在自动化系统中，能够集成不同的周边设备和多种软件功能模块，在实际生产中能够完成抓样、分配等任务，使周边设备能与工业机器人协调工作。工业机器人控制系统的设计与开发，是全自动分析系统的核心所在，是将整个系统中的其他部分有机地衔接在一起的纽带。

样品在炼钢现场冶炼炉中取出，经过处理后放人样品传输盒中，由气动传输管道送人分析中心。样品号码由工人在风送样号输人终端上进行选择，到达分析中心的样品，由工业机器人根据不同样品类型送人相应的后续加工工位，系统自动判别样品类型，并选择相应的加工程序，对样品进行处理，然后工业机器人将制备好的样品，送到相应的分析仪器对样品进行成分分析。工业机器人全自动分析系统布局如1所示。

装在样盒中的样品，通过风动送样系统到达分析中心后，4台工业机器人分别负责铁样区及钢样区样品接收和分配，各种样品形状及尺寸存在较大的差异，各个样品制备设备进样口位置高低不一样，对设备位置精度要求较高，处理的流程较为复杂。因此，对生产线上的机械手位置精度有较高的要求，需要对机械手的控制部分以及其他设备状态的控制要求严格。机器人控制系统的基本思路，是机械手末端执行器能灵活抓取各类样品，并能送到指定的位置，能根据周边设备的状态采用相应的处理流程对样品进行处理，设计合理的控制系统结构和选取具有开放性的硬件平台体系，要求控制系统软件体系方面各个模块之间相互独立，能够根据需要增删应用功能模块。

1.2总体方案

该系统采用了分布式控制方式。上位控制计算机负责程序编制和数据传输、机器人及周边设备运动状态的控制和监控等;示教器为操作者提供形化的人机界面，用于手动操作机器人动作，完成位置示教工作和参数设置、程序存取等系统基本操作;机器人控制柜由计算机控制系统、伺服驱动系统、I/O接口等组成，负责运动程序和运动数据的储存，子锐机器人维修，并行处理机器人的不同任务，完成与周围相关制样设备的协调工作，伺服驱动系统为各个运动轴的驱动和执行机构提供控制信号。

上述控制方案满足了工业机器人系统实时控制的要求。

2控制系统硬件结构

2.1工业机器人控制

本系统采用的IRB2400L型工业机器人，所采用模块化设计的控制器IRCS是ABB公司的第五代机器人控制器，将各种功能进行了逻辑分割，最大程度地降低了模块间的相互依赖性。除此之外，ICRS控制器的特性还包括:配备完善的通信功能、实现了维护工作量的最小化、具有高可靠性〔平均无故障工作时间达80OOOh)以及采用创新设计的新型开放式系统、便携式界面装置示教器。

通过在机器人控制器之外附加工控机作为上位控制器，实现一种大脑+小脑的控制模式，即就是用相当于大脑的上位控制机，机器人维修，完成为全自动样品分析系统设计的各种功能，ABB工业机器人控制器，则实现基本的运动控制，其功能如同小脑(如2所示)。在上位机上，可以自由地开发整个系统需要的各种控制功能。我们利用ABB机器人原有的通信接口以及部分系统I/O信号接口，通过编写驱动程序实现这些控制功能。

2.2控制系统设计

IRB2400L机器人控制柜采用分布式I/O系统，控制柜内部可以设置不同的I/O单元，如数字信号输人输出单元、模拟信号输人输出单元等。机器人的I/O信号能被指定成一定的系统响应，例如控制柜开始执行某个程序时，能从外部的控制面板或PLC来控制该机械手，通过检测和控制I/O信号，机器人能像一个PLC一样工作;I/O指令能和机器人马达运行的指令同时执行，后台程序也能与机器人正在运行的程序平行执行。工业机器人计算机控制系统控制整个机器人的运动，其组成如3所示。

主机可以检测和控制轴系计算模块和I/O计算模块的运行。轴系计算模块控制操作臂马达的运动，I/O计算模块控制机器人的I/O通信，包括CAN总线上的通信、以太网、串行通信等，可选择的插板可以用来控制机器人自身的6个轴之外再添加的轴(即外轴)的运动及外轴的I/O通信。使能器1和使能器2是系统安全信号，当I/O计算模块或者轴系计算模块出现运行错误时，使能器会被激活，从而通知计算机系统处理错误。

IRB2400L工业机器人控制柜内置4块I/O单元，其中DSQC652是可以用于控制外部执行机构的数字信号输人输出单元。DSQC652有16个输入和输出信号，这些信号被分为2组，每组在电源上独立，由控制柜内部的24VDC电源供电。该I/O单元可以提供24VDG的数字信号输人输出，在全自动样品制备系统中选取了该I/O单元作为机器人末端执行器和外围制样设备的信号控制单元。DSQC652电路简如4所示。

从4可以看出，D5QC652在使用中需要为每组上的端口10提供24VDC电压，为端口9提供。0v电压。在控制柜内置的24V有效电源可以提供端口9、10所需要的电源，把控制柜中输人输出单元所提供的控制信号，连接到末端执行器和外围控制设备的控制单元上。以实现控制。

3机器人控制系统软件设计

机器人控制系统是一个实时多任务系统，其控制系统软件主要包括以下基本功能模块:

(1)主控程序模块。对来自示教盒及上位机的请求给予相应的服务;自动化系统取样及样品任务的调度安排。

(2)运动学模块。此模块是机器人运动的关键，包括机器人运动学的正解、逆解及轨迹规划，完成机器人的关节、直线、圆弧等插补功能。

(3)外设控制模块。实现对机器人系统有关的外围设备的控制。

(4)通信模块。支持主机和示教盒及伺服单元的通信。

(5)管理模块。提供方便的机器人语言示教环境;支持对示教程序的示教、编辑(插人、删除、拷则、装人、存储等操作;完成系统各功能之间的切换。

(6)机器人语言解释器模块。对机器人语言的示教程序进行编译、扫描及语言法检查，最后解释执行。

(7)示教模块。利用示教器来改变操作机未端执行器的位置和姿态，以及各个位置的定位。

(8)报警模块。对出错信息的处理及响应，紧急情况下的急停功能。